阅读说明：本技术 与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机 (Non-turbine jet engine integrated with solid oxide fuel cell ) 是由 秦江 姬志行 程昆林 刘禾 章思龙 于 2018-06-14 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机,该发动机包括部分氧化重整器、固体氧化物燃料电池系统和飞机推进系统,直流电机通过连接轴驱动压气机,部分氧化重整器设于直流电机后方,固体氧化物燃料电池系统、燃烧室和喷管依次连接。本发明利用固体氧化物燃料电池发电带动直流电机,继而通过轴连接驱动压气机工作,取消了传统的涡轮,解决了压气机和涡轮匹配困难、变工况性能差等问题；取消涡轮之后,发动机的压比和温比不受涡轮功率分配和涡轮前温度的限制,使得发动机的功率提高。本发明利用固体氧化物燃料电池热效率高且污染气体排放量少的优点,还解决了传统航空发动机耗油率高和空气污染物排放含量高的问题。(The invention provides a non-turbine jet engine integrated with a solid oxide fuel cell, which comprises a partial oxidation reformer, a solid oxide fuel cell system and an airplane propulsion system, wherein a direct current motor drives a gas compressor through a connecting shaft, the partial oxidation reformer is arranged behind the direct current motor, and the solid oxide fuel cell system, a combustion chamber and a spray pipe are sequentially connected. The invention utilizes the solid oxide fuel cell to generate electricity to drive the direct current motor, and then the direct current motor is connected with the shaft to drive the gas compressor to work, thereby canceling the traditional turbine and solving the problems of difficult matching between the gas compressor and the turbine, poor performance under variable working conditions and the like; after the turbine is eliminated, the pressure ratio and the temperature ratio of the engine are not limited by the power distribution of the turbine and the temperature before the turbine, so that the power of the engine is improved. The invention also solves the problems of high fuel consumption rate and high air pollutant emission content of the traditional aircraft engine by utilizing the advantages of high thermal efficiency and less pollutant gas emission of the solid oxide fuel cell.)

与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机

技术领域

本发明涉及一种喷气发动机，具体涉及一种与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机，属于飞机推进系统技术领域。

背景技术

目前飞机的推进系统热效率比较低且耗油率高，氮氧化物排放量较高，对环境产生较为严重的污染，因此开发新的能源以及设计新的推进系统是当前较为重要的内容。

传统的燃气涡轮航空发动机，将燃料的化学能转变为机械能产生推进功，能量损失很大，效率仅为35％左右；而使用固体氧化物燃料电池，效率约50％左右，可以将燃料的化学能转变为电能，提高了系统的效率，并且燃料电池十分环保，对于当前的废气污染具有很重要的意义。氢气是一种十分友好的燃料，它的能量高且不污染环境，但是由于体积能量密度低，且携带不方便，使得它在广泛使用上存在很大的问题。故而，既要兼顾氢气能量高不污染环境的优点又要考虑来源的问题，采用携带部分氧化重整器来对燃料进行催化重整，使之产生以氢气为主的重整气供给固体氧化物燃料电池使用是解决此问题的一个思路，并且对于长航时的飞机来说，这种方式更为经济。

传统燃气涡轮航空发动机在正常工作时，涡轮功率的三分之二用来带动压气机，其余三分之一功率为输出功率，压气机需要由涡轮做功带动。二者在工作过程中相互影响、相互制约，在匹配上比较困难，很大程度上影响了发动机的性能，容易导致变工况性能差，并且耗能多。

发明内容

本发明为了解决传统燃气涡轮航空发动机在正常工作时，涡轮功率的三分之二用来带动压气机，其余三分之一功率为输出功率，压气机需要由涡轮做功带动，二者在工作过程中相互影响、相互制约，在匹配上比较困难，很大程度上影响了发动机的性能，容易导致变工况性能差，且耗能多；发动机的压比和温比受涡轮功率分配和涡轮前温度的限制，使得发动机的功率不高以及传统航空发动机耗油率高和空气污染物排放含量高的问题，提供一种与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机，去掉涡轮，由尾喷管作为产生动力的部件，实现气流加速从而产生推力。

为达此目的，本发明提出一种与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机包括进气道、燃料输送泵、部分氧化重整器、固体氧化物燃料电池系统、飞机推进系统、空气输送通路和燃油输送通路，所述飞机推进系统包括压气机、燃烧室、直流电机、连接轴和喷管；

所述进气道设于压气机的前端上下两侧，所述直流电机通过连接轴驱动压气机，所述部分氧化重整器设于直流电机的后方，所述固体氧化物燃料电池系统、燃烧室和喷管依次连接；所述空气输送通路是空气经进气道进入经过压气机压缩后分为两部分，一部分送至部分氧化重整器，另一部分从部分氧化重整器外部流过进入固体氧化物燃料电池系统；所述燃油输送通路是燃油经燃料输送泵流经直流电机的外壁，送至部分氧化重整器与部分氧化重整器内部的空气发生重整反应。

优选地，所述进气道设于压气机前端的外周。

优选地，所述燃油输送泵位于连接轴的上方，所述直流电机在工作状态下需要冷却，燃油经燃油输送泵流经直流电机外壳使工作中的直流电机温度下降。

优选地，所述固体氧化物燃料电池系统发生电化学反应，输出直流电通过电线将电能供给直流电机。

优选地，所述固体氧化物燃料电池系统由多个电池堆组合而成，每个电池堆内的电池通过串联组合，空气与重整气进入固体氧化物燃料电池系统内被分配给每个电池，发生电化学反应产生直流电。

优选地，所述部分氧化重整器包括空气入口、燃油入口、催化剂和重整气出口，所述部分氧化重整器采用管式反应器，所述部分氧化重整器的前端设有燃油入口和空气入口，所述空气入口位于燃油入口的外圈，所述部分氧化重整器的中部装有镍基催化剂，所述部分氧化重整器的后端设有重整气出口。

优选地，所述固体氧化物燃料电池系统包括阴极入口、阳极入口和阳极-电解质-阴极组合体，所述阳极-电解质-阴极组合体呈圆管形状贯穿整个固体氧化物燃料电池系统，所述阳极入口位于阳极-电解质-阴极组合体的内部，所述阴极入口位于阳极-电解质-阴极组合体的外周。

优选地，所述重整气出口通过管道收集输送至固体氧化物燃料电池系统的阳极入口。

优选地，所述空气输送通路是空气经进气道进入压气机压缩后，分为两部分，一部分送至部分氧化重整器的空气入口，另一部分从部分氧化重整器的外部流过进入固体氧化物燃料电池系统的阴极入口。

优选地，所述燃油输送通路是燃油经过燃料输送泵流经直流电机的外壳，燃油温度升高，送至部分氧化重整器的燃油入口与部分氧化重整器内部的空气发生重整反应。

本发明所述的与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机的工作原理为：

本发明不采用传统的涡轮带动压气机工作，而是利用燃料电池的电能直接通过电动机带动压气机工作，使压气机和涡轮解耦，改变了这一复杂的匹配过程；同时传统的航空发动机主要由涡轮膨胀，实现将燃气的内能转变为机械能，再通过尾喷管对燃气加速产生推力或通过动力涡轮输出功，实现飞机的推进，对于喷气产生推力的发动机，在推进方面尾喷管与涡轮在一定程度上是可以提供相同的功能，故当解决了压气机的带动问题，可以考虑完全去掉涡轮，由尾喷管作为产生动力的部件，实现气流加速从而产生推力，提高了系统的总效率。

本发明所述的与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机的有益效果为：

(1)本发明相比于传统的燃气涡轮航空发动机，在结构上取消了涡轮，从而改变了涡轮带动压气机工作的模式。用燃料电池产生的直流电驱动直流电机，直流电机直接通过连接轴连接带动压气机工作，压气机在变工作状态时仅通过对电动机的变化即可，从而实现了压气机和涡轮的解耦，解决了较困难的压气机和涡轮的匹配问题，使得工作过程更加灵活，提高了效率。

(2)本发明在结构上取消了涡轮，使用直流电机带动压气机，发动机的压比和温比不受涡轮功率分配和涡轮前温度的限制，提高了发动机的功率。

(3)本发明利用固体氧化物燃料电池热效率高且污染气体排放量少的优点，解决了传统航空发动机耗油率高和空气污染物排放含量高的问题。

(4)本发明通过部分氧化重整的方式对大分子的燃料进行重整得到以氢气为主的小分子烃，实现了在飞机上获得用于燃料电池的反应气，解决了直接携带氢气的困难。同时在飞机上采用部分氧化重整方式，由于不需要携带额外的水，体积质量大大降低；它是放热反应，也不需要对其进行加热，省去了额外的设备，减小了占据的空间，并且部分氧化重整反应迅速，可以满足燃料电池对重整气的需求量，故而解决了由于飞机空间紧凑而带来的装置安放困难等问题。

(5)本发明将喷管作为产生推力的主要部件，直接使用喷管对高温燃气加速，利用气流反作用力实现对飞机的推进，取消了涡轮与尾喷管的组合形式，减小了重量，也解决了尾喷管和涡轮工作过程相互影响的问题。

附图说明

图1为本发明所述的与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机的结构示意图；

图2为本发明所述的部分氧化重整器的工作原理示意图；

图3为本发明所述的固体氧化物燃料电池的工作原理示意图；

图中：1-进气道；2-压气机；3-连接轴；4-燃油输送泵；5-直流电机；6-部分氧化重整器； 7-固体氧化物燃料电池；8-燃烧室；9-喷管；10-电线；11-空气入口；12-燃油入口；13-催化剂；14-阴极入口；15-阳极入口；16-阳极-电解质-阴极组合体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

具体实施方式一：参见图1-图3说明本实施方式。本实施方式所述的一种与固体氧化 物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机包括部分氧化重整器6、固体氧化物燃料电池系统7、 飞机推进系统、空气输送通路和燃油输送通路，所述飞机推进系统包括压气机2、燃烧室8、 直流电机5、连接轴3和喷管9；

所述直流电机5通过连接轴3驱动压气机2，所述部分氧化重整器6设于直流电机5的后方，所述固体氧化物燃料电池系统7、燃烧室8和喷管9依次连接；所述空气输送通路是空气经进气道1进入经过压气机2压缩后分为两部分，一部分送至部分氧化重整器6，另一部分从部分氧化重整器6外部流过进入固体氧化物燃料电池系统7；所述燃油输送通路是燃油经燃料输送泵4流经直流电机5的外壁，送至部分氧化重整器6与部分氧化重整器6内部的空气发生重整反应。

所述直流电机5与压气机2通过连接轴3连接，直接驱动压气机2工作，结构上取消了涡轮，使得压气机2工作更为灵活。

所述固体氧化物燃料电池7的尾气和未反应的气体进入燃烧室8进行燃烧，产生的高温燃气进入喷管9，在喷管9内被加速产生推力，推动飞机前进，最后尾气排入大气中。

所述进气道1设于压气机2前端的外周。

所述进气道1属于空气输送通路，用于燃料电池推进系统前端空气的进入。

所述燃油输送泵4位于连接轴3的上方，所述直流电机5在工作状态下需要冷却，燃油经燃油输送泵4流经直流电机5外壳使工作中的直流电机5温度下降。

所述固体氧化物燃料电池系统7发生电化学反应，输出直流电通过电线10将电能供给直流电机5，直流电机5将来自固体氧化物燃料电池7的电能转化为机械能。

所述固体氧化物燃料电池系统7由多个电池堆组合而成，每个电池堆内的电池通过串联组合，空气与重整气进入固体氧化物燃料电池系统7内被分配给每个电池，发生电化学反应产生直流电，通过电池堆串联的方式可以获得高功率的发电系统。

所述部分氧化重整器6包括空气入口11、燃油入口12、催化剂13和重整气出口，所述部分氧化重整器6采用管式反应器，所述部分氧化重整器6的前端设有燃油入口12和空气入口11，所述空气入口11位于燃油入口12的外圈，所述部分氧化重整器6的中部装有镍基催化剂13，所述部分氧化重整器6的后端设有重整气出口。

所述固体氧化物燃料电池系统7包括阴极入口14、阳极入口15和阳极-电解质-阴极组合体16，所述阳极-电解质-阴极组合体16呈圆管形状贯穿整个固体氧化物燃料电池系统7，所述阳极入口15位于阳极-电解质-阴极组合体16的内部，所述阴极入口14位于阳极-电解质-阴极组合体16的外周。

所述固体氧化物燃料电池7为管式结构，使用阳极-电解质-阴极组合体16作为发生反应的结构，阳极-电解质-阴极组合体16内层为阳极，外层为阴极。固体氧化物燃料电池7 的阳极入口15通入来自部分氧化重整器6中的重整气，固体氧化物燃料电池7的阴极入口14通入经压气机2压缩的空气。

所述重整气出口通过管道收集输送至固体氧化物燃料电池系统7的阳极入口15。

所述空气输送通路是空气经进气道1进入压气机2压缩后，分为两部分，一部分送至部分氧化重整器6的空气入口11，另一部分从部分氧化重整器6的外部流过进入固体氧化物燃料电池系统7的阴极入口14，在固体氧化物燃料电池7内与重整气发生电化学反应。

所述燃油输送通路是燃油经过燃料输送泵4流经直流电机5的外壳，燃油温度升高，送至部分氧化重整器6的燃油入口12与部分氧化重整器6内部的空气发生重整反应。

燃油经过燃料输送泵4，经过直流电机5外壁，对其进行冷却后，燃油温度升高被送至部分氧化重整器6燃油入口12，与重整器6内部的空气均匀混合后在催化剂13的作用下发生重整反应，将大分子燃料重整为以氢气为主的重整气，输送至固体氧化物燃料电池 7阳极入口，在固体氧化物燃料电池7内发生电化学反应产生电流。

本发明所述的一种与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机的具体操作过程以及工作原理为：

来自大气中的空气进入进气道1，经压气机2压缩后，分为两部分，一部分空气送至部分氧化重整器6的空气入口，另一部分从部分氧化重整器6外壁流过进入固体氧化物燃料电池7的阴极入口14；来自储油罐的燃油经过燃料输送泵4，先送至直流电机5的外壁，对直流电机5进行冷却后送至部分氧化重整器6的燃油入口12，燃油与重整器6内部的空气均匀混合后在催化剂13的作用下发生重整反应，将大分子燃料重整为以氢气为主的重整气，重整气从部分氧化重整器6的重整气出口输送至固体氧化物燃料电池7的阳极入口15。此时固体氧化物燃料电池7以阴极反应物为重整气、阳极反应物为空气发生电化学反应，发生电子转移从而产生直流电，通过电线10将直流电输送给直流电机5，使其可以工作，将电能转化为机械能。直流电机5与压气机2通过连接轴3相连，带动压气机2工作，从而实现对空气的压缩。固体氧化物燃料电池7的阳极-电解质-阴极组合体16排出的尾气中有未完全反应的气体，将尾气通入燃烧室8燃烧，产生高温高压的燃气，燃气输送至喷管 9，在喷管9中被加速，高速的气流排至大气中，最终气流所产生的反作用力实现对飞机的推进。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。